使用 Microsoft 编译器生成 CMOV 指令

Question

为了在运行 Windows 7 pro 的英特尔核心 2 上执行一些 cmov 指令，我编写了下面的代码。它所做的只是从控制台获取一个字符串作为输入，应用一些移位操作来生成一个随机种子，然后将该种子传递给 srand，以生成一个小的伪随机数数组。然后评估伪随机数是否满足谓词函数（更任意的 bitshuffling ），并输出“*”或“_”。实验的目的是生成 cmov 指令，但是正如您在下面的反汇编中看到的那样，没有。

关于如何更改代码或 cflags 以便生成它们的任何提示？

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <string>
#include <cstdlib>

bool blackBoxPredicate( const unsigned int& ubref ) {
   return ((ubref << 6) ^ (ubref >> 2) ^ (~ubref << 2)) % 15 == 0;
}

int main() {
   const unsigned int NUM_RINTS = 32;
   unsigned int randomSeed = 1;
   unsigned int popCount = 0;
   unsigned int * rintArray = new unsigned int[NUM_RINTS];
   std::string userString;

   std::cout << "input a string to use as a random seed: ";
   std::cin >> userString;

   std::for_each( 
      userString.begin(), 
      userString.end(), 
      [&randomSeed] (char c) {
         randomSeed = (randomSeed * c) ^ (randomSeed << (c % 7));
   });

   std::cout << "seed computed: " << randomSeed << std::endl;

   srand(randomSeed);

   for( int i = 0; i < NUM_RINTS; ++i ) {
      rintArray[i] = static_cast<unsigned int> (rand());
      bool pr = blackBoxPredicate(rintArray[i]);
      popCount = (pr) ? (popCount+1) : (popCount);

      std::cout << ((pr) ? ('*') : ('_')) << " ";
   }

   std::cout << std::endl;

   delete rintArray;
   return 0;
}

并使用这个 makefile 来构建它：

OUT=cmov_test.exe
ASM_OUT=cmov_test.asm
OBJ_OUT=cmov_test.obj
SRC=cmov_test.cpp
THIS=makefile

CXXFLAGS=/nologo /EHsc /arch:SSE2 /Ox /W3

$(OUT): $(SRC) $(THIS)
   cl $(SRC) $(CXXFLAGS) /FAscu /Fo$(OBJ_OUT) /Fa$(ASM_OUT) /Fe$(OUT)

clean:
   erase $(OUT) $(ASM_OUT) $(OBJ_OUT)

然而，当我去查看是否有任何生成时，我看到微软的编译器为最后一个 for 循环生成了以下程序集：

; 34   :       popCount = (pr) ? (popCount+1) : (popCount);
; 35   :       
; 36   :       std::cout << ((pr) ? ('*') : ('_')) << " ";

  00145 68 00 00 00 00   push    OFFSET $SG30347
  0014a 85 d2        test    edx, edx
  0014c 0f 94 c0     sete    al
  0014f f6 d8        neg     al
  00151 1a c0        sbb     al, al
  00153 24 cb        and     al, -53            ; ffffffcbH
  00155 04 5f        add     al, 95         ; 0000005fH
  00157 0f b6 d0     movzx   edx, al
  0015a 52       push    edx
  0015b 68 00 00 00 00   push    OFFSET ?cout@std@@3V?$basic_ostream@DU?$char_traits@D@std@@@1@A ; std::cout
  00160 e8 00 00 00 00   call    ??$?6U?$char_traits@D@std@@@std@@YAAAV?$basic_ostream@DU?$char_traits@D@std@@@0@AAV10@D@Z ; std::operator<<<std::char_traits<char> >
  00165 83 c4 08     add     esp, 8
  00168 50       push    eax
  00169 e8 00 00 00 00   call    ??$?6U?$char_traits@D@std@@@std@@YAAAV?$basic_ostream@DU?$char_traits@D@std@@@0@AAV10@PBD@Z ; std::operator<<<std::char_traits<char> >
  0016e 46       inc     esi
  0016f 83 c4 08     add     esp, 8
  00172 83 fe 20     cmp     esi, 32            ; 00000020H
  00175 72 a9        jb  SHORT $LL3@main

供您参考，这里是我的 cpu id 字符串和编译器版本。

PROCESSOR_ARCHITECTURE=x86
PROCESSOR_IDENTIFIER=x86 Family 6 Model 58 Stepping 9, GenuineIntel
PROCESSOR_LEVEL=6
PROCESSOR_REVISION=3a09

Microsoft (R) 32-bit C/C++ Optimizing Compiler Version 16.00.40219.01 for 80x86

Answer 1

要让 Microsoft 的 32 位 C/C++ 编译器发出指令，即使不是完全不可能，也是极其困难的CMOVcc。

您必须记住的是，条件移动首先是在 Pentium Pro 处理器中引入的，虽然 Microsoft 有一个编译器开关可以为第 6 代处理器（长期不推荐使用的）调整生成的代码/G6，但他们从未发出可以运行的代码仅在此处理器上。代码仍然需要在第 5 代处理器（即Pentium 和 AMD K6）上运行，因此不能使用CMOVcc指令，因为这些指令会产生非法指令异常。与英特尔的编译器不同，全局动态调度没有（现在仍然没有）实现。

此外，值得注意的是，从来没有引入专门针对第 6 代及更高版本处理器的开关。没有/arch:CMOV或他们可能会称之为。/arch开关支持的值直接从IA32（最小公分母，CMOV可能是非法的）到SSE。但是，文档 确实确认，正如人们所期望的那样，启用 SSE 或 SSE2 代码生成隐式地启用条件移动指令以及在SSE之前引入的任何其他指令：

除了使用 SSE 和 SSE2 指令之外，编译器还使用支持 SSE 和 SSE2 的处理器修订版中存在的其他指令。一个例子是首次出现在 Intel 处理器的 Pentium Pro 修订版上的 CMOV 指令。

因此，为了有任何希望让编译器发出CMOV指令，您必须设置/arch:SSE或更高。当然，如今，这没什么大不了的。您可以简单地设置/arch:SSE或/arch:SSE2确保安全，因为所有现代处理器都支持这些指令集。

但这只是战斗的一半。即使启用了正确的编译器开关，也很难让 MSVC 发出CMOV指令。这里有两个重要的观察：

1. MSVC 10 (Visual Studio 2010) 及更早版本几乎从不生成CMOV指令。无论我尝试过多少种源代码变体，我都从未在输出中看到过它们。我说“几乎”是因为我可能错过了一些疯狂的边缘情况，但我非常怀疑。没有任何优化标志对此有任何影响。

   但是，MSVC 11 (Visual Studio 2012) 对代码生成器进行了重大改进，至少在这方面是这样。这个版本和更高版本的编译器现在似乎至少知道CMOVcc指令的存在，并且可以在正确的条件下发出它们（即，/arch:SSE或以后，以及条件运算符的使用，如下所述）。
   
   

2. 我发现哄骗编译器发出CMOV指令的最有效方法是使用条件运算符而不是长格式的if-else语句。尽管就代码生成器而言，这两个构造应该完全等效，但它们并非如此。

   换句话说，虽然您可能会看到以下内容被转换为无分支CMOVLE指令：

   int value = (a < b) ? a : b;
   

   您将始终获得以下序列的分支代码：

   int value;
   if (a < b)    value = a;
   else          value = b;
   

   至少，即使您使用条件运算符不会导致CMOV指令（例如在 MSVC 10 或更早版本上），您仍然可能很幸运通过其他方式获得无分支代码 -例如，SETcc或巧妙地使用SBB和NEG/ NOT/ INC/ DEC。这就是您在问题中显示的反汇编所使用的内容，尽管它不如 优化CMOVcc，但它肯定具有可比性，并且差异不值得担心。（唯一的其他分支指令是循环的一部分。）

如果你真的想要无分支代码（你在手动优化时经常这样做），并且你没有任何运气让编译器生成你想要的代码，你需要在编写源代码的方式上变得更加聪明. 我在编写使用按位或算术运算符无分支计算结果的代码方面很幸运。

例如，您可能希望以下函数生成最佳代码：

int Minimum(int a, int b)
{
    return (a < b) ? a : b;
}

您遵循了规则 #2 并使用了条件运算符，但是如果您使用的是旧版本的编译器，无论如何您都会得到分支代码。使用经典技巧智胜编译器：

int Minimum_Optimized(int a, int b)
{
    return (b + ((a - b) & -(a < b)));
}

生成的目标代码不是完全最优的（它包含一条CMP冗余指令，因为SUB已经设置了标志），但它是无分支的，因此仍然比对导致分支预测失败的随机输入的原始尝试要快得多。

再举一个例子，假设您要确定 64 位整数在 32 位应用程序中是否为负数。您编写以下不言自明的代码：

bool IsNegative(int64_t value)
{
    return (value < 0);
}

并且会发现自己对结果非常失望。GCC 和 Clang 明智地优化了这一点，但 MSVC 吐出了一个讨厌的条件分支。（不可移植的）技巧是意识到符号位位于高 32 位，因此您可以使用按位操作显式地隔离和测试它：

bool IsNegative_Optimized(int64_t value)
{
    return (static_cast<int32_t>((value & 0xFFFFFFFF00000000ULL) >> 32) < 0);
}

此外，其中一位评论员建议使用内联汇编。虽然这是可能的（Microsoft 的 32 位编译器支持内联汇编），但它通常是一个糟糕的选择。内联汇编会以相当大的方式破坏优化器，因此除非您在内联汇编中编写大量代码，否则不太可能显着提高净性能。此外，Microsoft 的内联汇编语法极其有限。它在很大程度上牺牲了灵活性以换取简单性。特别是没有办法指定输入值，因此您无法将输入从内存加载到寄存器中，并且调用者被迫将输入从寄存器溢出到内存中以备不时之需。这产生了一种我喜欢称之为“一大堆乱七八糟的事情”，或者简称为“慢代码”的现象。在可以接受慢速代码的情况下，您不会放弃内联汇编。因此，最好（至少在 MSVC 上）弄清楚如何编写 C/C++ 源代码以说服编译器发出您想要的目标代码。即使您只能接近理想的输出，这仍然比使用内联汇编所付出的代价要好得多。

请注意，如果您以 x86-64 为目标，则不需要这些扭曲。Microsoft 的 64 位 C/C++ 编译器CMOVcc在尽可能使用指令方面更加积极，即使是旧版本也是如此。正如这篇博文所解释的那样，与 Visual Studio 2010 捆绑在一起的 x64 编译器包含许多代码质量改进，包括更好地识别和使用CMOV指令。

这里不需要特殊的编译器标志或其他注意事项，因为所有支持 64 位模式的处理器都支持条件移动。我想这就是为什么他们能够为 64 位编译器提供正确的方法。我还怀疑在 VS 2010 中对 x86-64 编译器所做的一些更改被移植到 VS 2012 中的 x86-32 编译器，这解释了为什么它至少知道 的存在CMOV，但它仍然不使用它与 64 位编译器一样积极。

最重要的是，当面向 x86-64 时，以最有意义的方式编写代码。优化器实际上知道如何完成它的工作！